基于模块化多电平变流器的子模块的开路故障诊断方法

本发明涉及开路故障诊断领域，具体涉及基于模块化多电平变流器的子模块的开路故障诊断方法。

背景技术：

1、模块化多电平变流器由于其优异的谐波性能、固有的可扩展性和模块化等优点，已成为近年来中高压工业应用中最有前景的拓扑之一。

2、模块化多电平变流器必须知道子模块的电容器电压才能安全可靠地运行，由于经常配置数百个子模块，因此单相模块化多电平变流器需要大量的电压传感器，如图1所示，individual voltage sensor为独立电压传感器，csm为子模块的电容，su为开关管su，sl为开关管sl，sm1为第1子模块，sm2为第2子模块，smn为第n子模块，larm为桥臂电感，vdc为外接直流电压，idc为外接直流电流，uu为单相模块化多电平变流器的第一电压，uo为单相模块化多电平变流器的第二电压，ul为单相模块化多电平变流器的第三电压。电压传感器复用的模块化多电平变流器将单个电压传感器替换为组电压传感器，如图2所示，s1为开关管s1，s2为开关管s2，group 1为第1电压传感器复用组，group k为第k电压传感器复用组,k为电压传感器复用组的总组数，smn-m+1为第(n-m+1)子模块，smn-m+2为第(n-m+2)子模块,voltagesensor 1为第一复用电压传感器，voltage sensor k为第k复用电压传感器。电压传感器复用的模块化多电平变流器采用一系列基于软件的技术，使用测得的组电压来估计组中每个子模块的电容器电压。这样的配置有利于降低硬件成本和通信负担，但是给子模块的状态监控和故障诊断带来了挑战。

3、现有技术提供了一种基于模型的故障检测方法，通过卡尔曼滤波器的介入实现故障检测，故障的诊断过程仅需十几毫秒。但是，对于拥有大量子模块的模块化多电平变流器系统，该方法对数学模型精度的要求严格，并使得模型的复杂度急剧上升。另有现有技术提出了基于传感器的故障诊断方法，通过将监控传感器的输出与预期电压进行比较来监控故障。基于传感器的故障诊断方法速度快至微秒级，但该方法增加了设备成本，同时还必须考虑冗余传感器的可靠性，并且该方法通常很难移植到电压传感器复用的模块化多电平变流器中。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于模块化多电平变流器的子模块的开路故障诊断方法，无需额外的传感器和硬件电路便能诊断电压传感器复用的模块化多电平变流器组内发生开关管开路故障的子模块。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、基于模块化多电平变流器的子模块的开路故障诊断方法，包括以下步骤：

4、s1、利用载波移相脉宽调制确定子模块开关状态值；

5、s2、根据步骤s1中的子模块开关状态值计算所有子模块的组电压残差；

6、s3、根据步骤s2中所有子模块的组电压残差进行子模块的开路故障诊断。

7、进一步地，步骤s1包括以下分步骤：

8、s11、利用载波移相脉宽调制将对应子模块的三角载波达到峰值的时刻确定为采样时刻；

9、s12、利用载波移相脉宽调制获取分步骤s11中采样时刻的子模块开关状态值。

10、进一步地，在分步骤s12中，获取采样时刻的子模块开关状态值的具体过程为：当调制波大于三角载波时，获取子模块开关状态值为1；当调制波小于三角载波时，获取子模块开关状态值为0。

11、进一步地，步骤s2包括以下分步骤：

12、s21、根据步骤s1中的子模块开关状态值计算子模块的电容器电压；

13、s22、根据分步骤s21中子模块的电容器电压计算所有子模块的组电压估计值；

14、s23、将分步骤s22中所有子模块的组电压估计值减去所有子模块的组电压实测值，获取所有子模块的组电压残差。

15、进一步地，在分步骤s21中，计算子模块的电容器电压，表示为：

16、

17、其中：umg(t1)为采样时刻t1时所有子模块的组电压实测值，s1(t1)为采样时刻t1时的第1个子模块的开关状态值，uc1为第1个子模块的电容器电压，s2(t1)为采样时刻t1时的第2个子模块的开关状态值，uc2为第2个子模块的电容器电压，sm(t1)为采样时刻t1时的第m个子模块的开关状态值，ucm为第m个子模块的电容器电压，umg(t2)为采样时刻t2时所有子模块的组电压实测值，s1(t2)为采样时刻t2时的第1个子模块的开关状态值，s2(t2)为采样时刻t2时的第2个子模块的开关状态值，sm(t2)为采样时刻t2时的第m个子模块的开关状态值，umg(tm)为采样时刻tm时所有子模块的组电压实测值，s1(tm)为采样时刻tm时的第1个子模块的开关状态值，s2(tm)为采样时刻tm时的第2个子模块的开关状态值，sm(tm)为采样时刻tm时的第m个子模块的开关状态值。

18、进一步地，在分步骤s22中，计算所有子模块的组电压估计值，表示为：

19、

20、其中：ueg(t)为采样时刻t时所有子模块的组电压估计值，i为子模块的序号，m为传感器复用组内子模块的总数，si(t)为采样时刻t时第i个子模块的开关状态值，uci为第i个子模块的电容器电压。

21、进一步地，步骤s3包括以下分步骤：

22、s31、判断步骤s2中所有子模块的组电压残差是否等于零；若是则诊断子模块为正常，否则诊断子模块为开路故障并进入分步骤s32；

23、s32、判断步骤s2中所有子模块的组电压残差是否等于子模块电容器的额定电压的正整数倍；若是则诊断开路故障为第一开路故障并进行故障定位，否则诊断开路故障为第二开路故障并进行故障定位。

24、进一步地，在分步骤s32中，诊断开路故障为第一开路故障并进行故障定位包括以下步骤：

25、a1、根据子模块的输出特性，将桥臂电流iarm<0且开关管su导通且开关管sl断开时子模块的开关状态值确定为1，并将子模块的开关状态值为1时的开关管su开路故障确定为第一开路故障；

26、a2、根据步骤s2中所有子模块的组电压残差等于子模块电容器的额定电压的正整数倍，确定开路故障为步骤a1中的第一开路故障；

27、a3、根据a2中的开路故障为第一开路故障，将开关状态值为1的子模块标记为嫌疑故障子模块；

28、a4、将所有子模块的组电压残差回落至零时a3中开关状态值由1变为0的嫌疑故障子模块确定为故障子模块。

29、进一步地，在分步骤s32中，诊断开路故障为第二开路故障并进行故障定位包括以下步骤：

30、b1、根据子模块的输出特性，将桥臂电流iarm>0且开关管su断开且开关管sl导通时子模块的开关状态值确定为0，并将子模块的开关状态值为0时的开关管sl开路故障确定为第二开路故障；

31、b2、根据步骤s2中所有子模块的组电压残差不等于零且不等于子模块电容器的额定电压的正整数倍，确定开路故障为步骤b1中的第二开路故障；

32、b3、根据b2中的开路故障为第二开路故障，将开关状态值为0的子模块标记为嫌疑故障子模块；

33、b4、将所有子模块的组电压残差增大至零时b3中开关状态值由0变为1的嫌疑故障子模块确定为故障子模块。

34、本发明的有益效果为：

35、(1)本发明提供的子模块的开路故障诊断方法用于诊断电压传感器复用组内单个或多个发生开关管开路故障的子模块，该方法通过判断所有子模块的组电压残差值诊断发生开关管开路故障的子模块，无需额外的传感器和硬件电路；

36、(2)本发明通过载波移相脉宽调制可在单个三角载波周期内完成对故障子模块的诊断，其诊断速度远快于传统的故障诊断方法，有效地提升了系统的可靠性。